salting out extracción ácido acético
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Química
Laboratorio de operaciones por separación de fases
IQ–0433
Análisis del efecto electrolítico, la proporción disolvente-
alimentación y la identidad del disolvente en la operación de
extracción líquido-líquido
Profesora: Ing. Karolina González V., M.B.A.
Asistente: Andrés Alvarado G.
Grupo: 1-A
Presentado por:
San José, Costa Rica
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Junio, 2012
Oscar Acuña Díaz
Estefanía Castro Rivas
Mauricio Sánchez Valverde
A80067
A81541
A85982
i
RESUMEN
Se pretendió establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema ternario de
agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo) por medio de
un análisis estadístico de diseño factorial completo.
Para ello se determinó el índice de refracción de varias disoluciones de ácido acético
con y sin sal mediante la utilización del refractómetro de Abbé con el objeto de elaborar
las rectas de concentración de ácido acético en función del índice de refracción para
cuantificar la concentración del soluto en el refinado.
Seguidamente se llevó a cabo el proceso de extracción líquido-líquido donde se variaron
tres factores: disolvente (hexano o éter de petróleo), proporción alimentación-disolvente
(3:1 y 3:2) y la presencia de sal de mesa. Para ello se realizaron las corridas
aleatoriamente, y se fueron analizando los índices de refracción del refinado. Vale
destacar que dicho proceso fue realizado en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental.
Se concluyó que el proceso de extracción de ácido acético disuelto en agua, según las
condiciones estudiadas se mejora al añadir cloruro de sodio a la disolución de
alimentación, al utilizar éter de petróleo como disolvente y al utilizar una proporción
mayor de disolvente con respecto a la alimentación.
Además se determinó que la presencia de sales disueltas es el único factor que presenta
un efecto importante en el proceso y que a pesar de que existen interacciones entre los
factores, para el nivel de significancia elegido no existen interacciones significativas.
Por lo tanto con base en los resultados, se recomienda ampliar las investigaciones sobre
el fenómeno en estudio llamado “salting-out” ya que su aplicación podría ser
sumamente útil en los tratamiento de purificación del agua.
ii
ÍNDICE
Página
RESUMEN .................................................................................................................... i
INDICE DE FIGURAS ................................................................................................ iv
INDICE DE CUADROS ............................................................................................... v
OBJETIVOS ................................................................................................................. 1
1. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 3
1.1 Triángulo de Solubilidad ..................................................................................... 4
1.2 Etapas en un Proceso de Extracción ..................................................................... 5
1.3 Clasificaciones de la Extracción Líquido - Líquido .............................................. 6
1.3.1 Tipo de Contacto .......................................................................................... 6
1.3.2 Modo de Mezcla ........................................................................................... 7
1.4 Elección del disolvente ........................................................................................ 8
1.5 “Salting-out” ....................................................................................................... 9
2. METODOLOGÍA ............................................................................................... 11
2.1. Metodología experimental............................................................................. 11
2.2. Equipo experimental ..................................................................................... 11
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS .......................................................................... 12
4. CONCLUSIONES .............................................................................................. 18
5. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 19
6. APÉNDICES ...................................................................................................... 20
Apéndice A. Resultados .......................................................................................... 20
Apéndice B. Resultados intermedios ....................................................................... 21
Apéndice C. Consola de Minitab® 16 para el análisis del diseño factorial propuesto
............................................................................................................................... 23
Apéndice D. Muestra de cálculos ............................................................................ 25
D1. Estimación de la concentración de ácido acético en los refinados ...................... 25
D2. Estimación de la concentración de soluto en el extracto .................................... 25
iii
D3. Cálculo del coeficiente de distribución ............................................................. 26
Apéndice E. Nomenclatura ...................................................................................... 27
iv
INDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1. 1 Triángulo de solubilidad .............................................................................. 4
Figura 1. 2 Efecto de la Temperatura en Equilibrios Ternarios ...................................... 5
Figura 1. 3 Extracción en Régimen Continuo ................................................................ 6
Figura 1. 4 Extracción en un régimen discontinuo ......................................................... 7
Figura 1. 5 Procesos de Extracción con agitación mecánica ........................................... 7
Figura 1. 6 Procesos de Extracción con agitación por circulación de fluidos .................. 8
Figura 3. 1 Concentración de ácido acético en agua destilada en función del índice de
refracción .................................................................................................................... 12
Figura 3. 2 Concentración de ácido acético en agua salada en función del índice de
refracción .................................................................................................................... 13
Figura 3. 3 Gráficas de efectos principales .................................................................. 15
Figura 3. 4 Matriz completa de interacciones .............................................................. 16
Figura 3. 5 Diagrama de Pareto para efectos estándar .................................................. 16
Figura 3. 6 Gráfica de cubos para la variable de respuesta promedio para diversas
combinaciones de factores........................................................................................... 17
v
INDICE DE CUADROS
Página
Cuadro 3. 1 Factores y niveles del diseño factorial completo utilizado ........................ 14
Cuadro A. 1. Índices de refracción para distintas concentraciones de ácido acético en
agua destilada ............................................................................................................. 20
Cuadro A. 2. Índices de refracción para distintas concentraciones de ácido acético en
agua destilada con una concentración de 350 ppm de cloruro de sodio ........................ 20
Cuadro A. 3. Índices de refracción medidos con ayuda de un refractómetro de Abbé
para el refinado ........................................................................................................... 20
Cuadro B. 1. Concentración de ácido acético en el refinado ........................................ 21
Cuadro B. 2. Concentración de ácido acético en el extracto ......................................... 21
Cuadro B. 3. Coeficiente de distribución del ácido acético en el extracto y refinado para
cada corrida experimental ........................................................................................... 22
1
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema ternario de
agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo) por
medio de un análisis estadístico de diseño factorial completo.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Elaborar las rectas de concentración de ácido acético en función del índice de
refracción tanto para la disolución en agua destilada como para la disolución
salina, para cuantificar la concentración del soluto en el refinado.
Realizar un proceso de extracción líquido-líquido, por tandas, a escala de
laboratorio, para dos sistemas ternarios: agua-ácido acético-hexano y agua-ácido
acético-éter de petróleo.
Determinar la identidad del disolvente orgánico que genera menor concentración
del soluto en los refinados en el proceso de extracción.
Determinar la razón alimentación: disolvente que genera menor concentración
del soluto en los refinados en el proceso de extracción.
Determinar la concentración de sal disuelta que genera menor concentración del
soluto en los refinados en el proceso de extracción.
2
JUSTIFICACIÓN
La extracción líquida tiene diversas aplicaciones en la industria en las que por varios
factores, como lo son los costos y eliminación de subproductos, resulta como un buen
sustituto de otras operaciones de transferencia de masa y métodos químicos. Por tales
razones la investigación de dicho tema resulta de suma relevancia para su posterior
aplicación a mayor escala.
En general se han explorado los campos de la extracción líquida en donde se tienen
mezclas ternarias de dos compuestos insolubles entre sí con un soluto distribuido, en
donde en varios casos el agua es uno de los primeros. No obstante en los últimos años
se ha empezado a estudiar el fenómeno denominado “salting-out” en donde mediante la
adición de una sal inorgánica al agua se obtiene como la solubilidad en el agua del
soluto orgánico disminuye propiciando una mejor extracción del soluto de interés. Por
tanto la aplicación de dicho principio en la industria para la purificación de las aguas
residuales por ejemplo, podría ser sumamente efectiva para la eliminación de los
contaminantes orgánicos así como también en operaciones unitarias de intercambio
iónico.
3
1. MARCO TEÓRICO
La extracción líquido-líquido es un proceso de transferencia de masa en el cual se da la
separación de los componentes de una mezcla líquida, por el contacto de esta con otro
líquido, es cual es inmiscible o parcialmente inmiscible con esta y que disuelve
preferentemente a uno de los constituyentes de la mezcla original. Con eso, se pueden
definir varios términos que suelen utilizarse para diferenciar los diferentes componentes
que se utilizan en este proceso:
Alimentación: es la mezcla líquida original a la cual se desea extraer alguno de sus
componentes.
Disolvente: es el líquido que se pone en contacto con la alimentación.
Soluto: es el componente que se desea separar de la mezcla de alimentación y que es
soluble, tanto en la alimentación como en el disolvente.
Extracto: es la fase generada luego de la extracción la cual es rica en el disolvente.
Refinado: líquido residual de donde se ha extraído el soluto.
Este tipo de operación, tiende a ser un poco más simplificado en su operación en sí, ya
que como se indica tiende a ser prácticamente poner en contacto dos corrientes de
líquidos, por lo que podría ser más eficiente en ciertos casos que una destilación, ya sea
por la naturaleza de los compuestos o simplemente, porque las condiciones con las que
se trabajarían son de bajos rendimientos o condiciones muy especiales y específicas
(McCabe, Smith, & Harriot, 2005).
Cabe destacar que la parte de mayor complejidad de la operación se da cuando se deben
de separar las fases, ya que puede que las sustancias posean densidades similares, por lo
que a la hora de la separación de las mismas se complique un poco. Ya que por lo
general, al poner las sustancias en contacto, se proceden a agitar para que exista la
mayor transferencia del soluto, haciendo que se tienda a general algún tipo de emulsión;
y teniendo en cuenta que las viscosidades también tienden a ser altas, las velocidades de
los componentes a lo largo de los equipos sin muy bajas por lo que se requiere de un
fuerte apoyo mecánico para poder realizar esta separación de las fases (McCabe, Smith,
& Harriot, 2005).
4
Además de ello, hay que mencionar, que una vez superada la operación de extracción
siempre debe de considerarse otro tipo de operación unitaria de separación; esto ya que
se debe de pensar en la de acuerdo a las necesidades de la operación en obtener por
aparte el soluto y el disolvente (componentes del extracto) principalmente si se
considera en una recirculación del último, o si por el contrario, el compuesto de interés
es el refinado. Por lo que podría pensarse en operaciones como destilación, evaporación,
entre otros (McCabe, Smith, & Harriot, 2005).
1.1 Triángulo de Solubilidad
Treybal (1988) trata la siguiente nomenclatura para describir el equilibrio químico en la
operaciones de extracción líquida, en donde A y B se refieren a los dos líquidos puros
básicamente insolubles y C el soluto distribuido, y por tanto las mezclas a separar en la
extracción serán A y C, y B será el disolvente de extracción. E se denota para el extracto
y R para el refinado. Por lo tanto, como la extracción supone al menos el uso de tres
sustancias, se establece un triángulo de solubilidad como el mostrado en la Figura 1.
Figura 1. 1 Triángulo de solubilidad
(Treybal, 1988)
En la Figura 1.1 se describe gráficamente las concentraciones en los sistemas ternarios
en estudio, en donde la altura del triángulo equilátero se atribuye a la composición al
100% y las distancias a los tres lados los porcentajes o fracciones de los tres
componentes, además cada vértice del triángulo representa uno de los componentes
puros. Por ejemplo, la distancia perpendicular desde cualquier punto como K a la AB
representa el porcentaje de C en dicha mezcla, y a AC el porcentaje de B y a CB el
5
porcentaje de A. Las composiciones en cada punto, como por ejemplo el punto M que
corresponde a una mezcla R a las que le agregan E kg de una mezcla E se pueden
obtener mediante balances de materia (Treybal, 1988).
Es importante destacar que para sistemas de este tipo la solubilidad entre A y B
aumentar con un incremento en la temperatura, y arriba de cierta temperatura crítica de
solución se disuelven por completo. Por otra parte el efecto de la presión usualmente es
muy pequeño en el equilibrio líquido y por lo tanto se tiende a omitirlo; sin embargo no
hay que descartar que si la presión se redujese considerablemente en tanto que fuera
menor que las presiones de vapor de las soluciones, aparecería entonces una fase vapor
y se interrumpiría el equilibrio químico (Treybal, 1988).
Figura 1. 2 Efecto de la Temperatura en Equilibrios Ternarios
(Treybal, 1988)
1.2 Etapas en un Proceso de Extracción
En el proceso de extracción, pueden señalarse tres operaciones bien definidas e
independientes una de la otra; y sin importar si la extracción es en régimen continuo o
por lotes estarán presentes en el proceso, éstas son (Miranda, 2011):
a. Contacto entre Fases: en esta sección, se suelen alimentar a un tanque agitado y otro
equipo que permita el mezclado entre la alimentación y el disolvente, en esta, es donde
se da la transferencia de masa del soluto, por lo que se podría afirmar que es la etapa
más importante del proceso de extracción.
6
b. Separación de las Fases: una vez obtenidos el tanto el extracto como el refinado, se
debe dar un tiempo para que las fases tiendan a separarse nuevamente. Cabe mencionar,
que por lo general se da un tiempo de retención en los equipos para que por simple
acción de la gravedad las fases se tiendan a separar por medio de la diferencia de sus
densidades y luego por una simple decantación se separan. Cabe mencionar que el
proceso de separación se dificulta, se pueden utilizar medios mecánicos como la
centrifugación para poder obtener el extracto como el refinado por separado.
c. Recuperación del Disolvente: idealmente, y considerando que se obtener muchos
beneficios en diversos campos como los económicos, ambientales, del proceso, entre
otros; se debe de purificar el disolvente para que de nuevo vuelva a ser utilizado en el
proceso.
1.3 Clasificaciones de la Extracción Líquido - Líquido
Las extracciones líquido – líquido, pueden clasificarse de acuerdo con un gran número
de aspectos de las definen, entre los que se pueden mencionar: el tipo de contacto y
también la forma en que se mezclan los líquidos (Coulson & Richardson, 2003).
1.3.1 Tipo de Contacto
Continuo: en esta extracción, se opera bajo un régimen en el que siempre hay corrientes
de entrada del disolvente y la alimentación, de los que siguen generalmente algún tipo
de decantador o sedimentador para la separación de las fases que también salen de la
operación de extracción en forma dinámica. Cabe destacar que por la continuidad de
este proceso, este tipo es el que más suele utilizarse en el área industrial (Coulson &
Richardson, 2003).
Figura 1. 3 Extracción en Régimen Continuo
(Miranda, 2011)
7
Discontinuo: como su nombre lo indica, este es el tipo de extracción por lotes o “batch”
en la que el proceso de separación se realiza en un solo equipo y debe de esperarse un
tiempo prudencial entre cada una de las etapas de la extracción para sí garantizar una
adecuada y eficiente operación (Coulson & Richardson, 2003).
Figura 1. 4 Extracción en un régimen discontinuo
(Miranda, 2011)
1.3.2 Modo de Mezcla
Agitación Mecánica: como su nombre lo indica, en este tipo de extracción se utiliza un
impulsor que permita el contacto necesario entre la alimentación y el disolvente.
Generalmente, se utilizan impulsores que generen una buena distribución axial a lo
largo del tanque para permitir la mayor homogeneización de ambos líquidos. Como se
utiliza una agitación directa, luego de la etapa de mezclado siempre tiene que haber una
fase de “reposo” para que pueda darse la adecuada separación de las fases, ya sea en un
equipo aparte (Figura 1.5 a) o que en el mismo se de la agitación y sedimentación
(Figura 1.5 b) (Coulson & Richardson, 2003).
Figura 1. 5 Procesos de Extracción con agitación mecánica
(Coulson & Richardson, 2003)
8
Circulación de Fluidos: en este tipo de extracción el factor determinante es la diferencia
de las densidades de los fluidos, esto porque la operación se suele llevar a cabo en torres
o columnas en las que el líquido más denso se alimenta por la parte superior de la
misma y más ligero por la parte inferior. Por acción de la gravedad, el líquido ligero
tenderá a subir y el pesado a bajar, en un proceso a contracorriente, es en este punto
donde se da el contacto para permitir la transferencia del soluto de uno a otro. Como los
líquidos por sí solos tienden a separarse, no es necesario un equipo adicional para tal
fin.
Figura 1. 6 Procesos de Extracción con agitación por circulación de fluidos
(Coulson & Richardson, 2003)
1.4 Elección del disolvente
Treybal (1988) sugiere las siguientes características para la elección de un disolvente:
1. Selectividad: la selectividad define la efectividad del disolvente B para separar
los componentes de una solución A y C y en las operaciones de extracción se
requiere que sea mucho mayor a uno, puesto que cuando es igual a uno la
separación no es posible, se expresa mediante la Ecuación 1.
2. Coeficiente de distribución: es la relación y*/x en el equilibrio, y los valores
mucho más grandes que uno resultan más adecuados porque implican una menor
cantidad de disolvente para la extracción.
(1.1)
Extractor de Columna de
Platos Perforados Extractor de Torre Agitada
Extractor de Columna de
Pulverización
9
3. Insolubilidad del disolvente: dependiendo del sistema, el disolvente más
insoluble resulta el más útil para la extracción.
4. Recuperabilidad: siempre debe ser posible recuperar el disolvente para
reutilizarlo, por lo tanto como este generalmente se recupera mediante
destilación, el disolvente no debe formar azeotropos con el soluto extraído, las
mezclas deberán presentar alta volatilidad relativa y la sustancia en menor
cantidad deberá ser la más volátil.
5. Densidad: se requiere una diferencia en las densidades de las fases líquidas
saturadas, y entre mayor sea, mejor resultará la extracción.
6. Tensión interfacial: entre mayor sea, la coalescencia de las emulsiones será más
rápida , por tanto se desea alta.
7. Reactividad química: el disolvente ha de ser inerte químicamente frente a los
reactivos y estable.
8. Viscosidad, presión de vapor y punto de congelamiento: deben todos ser bajos
para facilitar su uso.
9. Finalmente el disolvente debe ser no tóxico, no inflamable y de bajo costo.
1.5 “Salting-out”
Boddu, Krishnaiah y Viswanath (2001) realizaron una extracción líquido-líquido de una
mezcla de benceno, agua y ácido acético en donde se estudió el efecto de añadir una sal
inorgánica al agua. En síntesis se obtuvo una mejor extracción del ácido acético al
añadir la sal utilizada, que correspondió a CaCl2 esto por el fenómeno denominado
“salting-out”.
Al agregar un sal inorgánica como el CaCl2 a una mezcla de benceno, agua y ácido
acético las moléculas de agua empiezan a mostrar interacciones con los iones de la sal.
Dicha interacción propicia que el agua tenga menos moléculas disponibles para
interactuar con el benceno y por ello la solubilidad del último decrece, en tanto que
experimentalmente se ha obtenido que la solubilidad del benceno en agua es de 1910
ppm pero al añadir sal al agua, este valor decrece a 502 ppm, todo a 303,15 K (Boddu,
Krishnaiah, & Viswanath, 2001).
En la extracción líquido-líquido dicho fenómeno beneficia la separación de los
reactivos, ya que disminuye la cantidad de disolvente en la fase acuosa, para la mezlca
10
en estudio. Experimentalmente los resultados obtenidos con dicho método han resultado
más eficientes energéticamente que realizando la misma separación pero con agua sin
sal, por destilación (Boddu, Krishnaiah, & Viswanath, 2001).
11
2. METODOLOGÍA
2.1. Metodología experimental
El objetivo consistió en establecer las condiciones de refinación óptima para un sistema
ternario de agua, ácido etanoico y un disolvente orgánico (hexano o éter de petróleo)
por medio de un análisis estadístico de diseño factorial completo.
Por lo tanto se determinó el índice de refracción de varias disoluciones de ácido acético
con y sin sal mediante la utilización del refractómetro de Abbé en el Laboratorio de
Ingeniería Ambiental; para elaborar las rectas de concentración de ácido acético en
función del índice de refracción para cuantificar la concentración del soluto en el
refinado.
Seguidamente se llevó a cabo el proceso de extracción líquido-líquido en un embudo de
Squibb donde se variaron tres factores: disolvente (hexano o éter de petróleo),
proporción alimentación-disolvente (3:1 y 3:2) y la presencia de sal de mesa. Las
corridas se realizaron aleatoriamente utilizando Minitab, y se fueron analizando los
índices de refracción del refinado.
Los factores experimentales fueron el tipo de disolvente, la presencia de sal y la
proporción alimentación-disolvente, por lo que la variable dependiente fue la
concentración de ácido acético en el refinado de la extracción de la mezcla ternaria.
2.2. Equipo experimental
Embudo de Squibb.
Refractómetro de Abbé.
Sal de mesa.
Agua destilada.
Ácido acético.
Éter de petróleo.
Hexano.
12
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS
El objetivo general de esta investigación consiste en determinar las condiciones que
mejoran la extracción de ácido acético en disolución acuosa; para esto la extracción se
llevó a cabo con ayuda de dos disolventes diferentes (éter de petróleo y hexano) en
diferentes proporciones respecto a la alimentación. Otro factor que se tomó en cuenta
fue la presencia de electrolitos en el sistema para determinar su grado de influencia en el
rendimiento del proceso de extracción.
La variable de respuesta, fue la concentración de ácido acético en el refinado, de modo
que se pudiese establecer un punto de comparación respecto a la concentración original
del soluto en la fase acuosa. Para estimar la concentración de ácido etanoico el refinado
se procedió a correlacionar el índice de refracción con la concentración del soluto para
cierto número de disoluciones de referencia, tanto para el caso de agua destilada como
para el agua con sal disuelta. Para el caso del sistema binario ácido acético-agua, la
curva obtenida de la concentración en función del índice de refracción se muestra en la
Figura 3.1.
Figura 3. 1 Concentración de ácido acético en agua destilada en función del índice de
refracción
(Elaboración propia, 2012)
Al hacer una regresión lineal por mínimos cuadrados, la ecuación que correlaciona la
concentración de ácido acético con el índice de refracción (con un índice de correlación
de 1) es la siguiente:
(3.1)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.332 1.333 1.334 1.335 1.336 1.337 1.338Con
cen
tra
ció
n d
e á
cid
o a
céti
co
(mol/
L)
Índice de refracción a 25,1 ºC
13
Donde,
CHOAc es la concentración de ácido acético, mol/L
η es el índice de refracción de la disolución.
De manera similar, para las disoluciones de referencia con ácido acético y sal disuelta,
se elaboró la recta que se presenta en la Figura 3.2
Figura 3. 2 Concentración de ácido acético en agua salada en función del índice de
refracción
(Elaboración propia, 2012)
Al hacer una regresión lineal por mínimos cuadrados, la ecuación que correlaciona la
concentración de ácido acético con el índice de refracción (con un índice de correlación
de 0,9878) es la siguiente:
(3.2)
Donde,
CHOAc es la concentración de ácido acético, mol/L
η es el índice de refracción de la disolución
Es evidente la diferencia que existe entre ambas rectas, ya que al adicionar sal a la
disolución el medio se vuelve ópticamente más denso; aunque se sacrifica un poco de su
linealidad el modelo generado para las muestras que tienen sal es adecuado.
y = 314.29x - 421.11
R² = 0.9878
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.339 1.34 1.341 1.342 1.343 1.344Con
cen
tra
ció
n d
e á
cid
o a
céti
co
(mol/
L)
Índice de refracción a 25,1 ºC
14
Una vez que se contó con el modelo para estimar la variable de respuesta deseada,
elaboró un diseño factorial completo de 3 factores en dos niveles con dos réplicas. Los
factores, con su nivel alto y bajo se presentan en el Cuadro 3.1.
Cuadro 3. 1 Factores y niveles del diseño factorial completo utilizado
Factor Nivel bajo Nivel alto
Identidad del disolvente Hexano Éter de petróleo
Proporción
disolvente:alimentación Baja (1:3) Alta (2:3)
Presencia de sales disueltas Sin sal Con sal
Para efectuar la separación se utilizaron embudos de Squibb de 125 mL. La mezcla se
agitó vigorosamente y se dejó reposar hasta que se diera la elución y los componentes
de la mezcla formaran dos fases bien definidas; para cada corrida experimental se midió
el índice de refracción del refinado con ayuda de un refractómetro de Abbé y se estimó
la concentración del soluto de interés con las Ecuaciones (3.1) y (3.2).
La tendencia general, según los datos experimentales, es que la presencia de sal en la
mezcla perturba la condición de equilibrio, ya que las concentraciones de ácido acético
en los refinados con presencia de sal es menor que la concentración inicial de la
disolución (0,5 mol/L), esto se corrobora al calcular los coeficientes de distribución para
el sistema en equilibrio, ya sin importar el solvente o la proporción del mismo respecto
a la alimentación, las extracciones que se realizaron con sales disueltas presentan
mayores coeficientes de reparto. Otro factor que, al parecer, influye en el proceso de
extracción es la identidad del disolvente. Para corroborar estas consideraciones, con
ayuda del Software Minitab® 16 se analizó el diseño factorial propuesto y se obtuvo los
siguientes resultados:
15
Figura 3. 3 Gráficas de efectos principales
(Elaboración propia, 2012)
En efecto, la presencia de sal y la identidad del disolvente tienen un efecto en los
resultados obtenidos, no siendo así la proporción del disolvente para este caso de
estudio; al parecer con que el ácido acético sea lo suficientemente soluble en la fase
orgánica se pueden alcanzar buenos resultados.
El análisis de los factores no puede estar completo si no se consideran las interacciones
que puedan haber entre ellos; si se estudia con cuidado la Figura 3.4 (generada con
ayuda de Minitab® 16), la cual presenta la matriz completa de interacciones se puede
apreciar que no existe interacción alguna entre la presencia de sal y la identidad del
disolvente, lo mismo ocurre con la proporción del disolvente con respecto a la
alimentación. En cambio sí existen interacciones entre los siguientes factores:
Proporción del disolvente respecto a la alimentación y presencia de sal
Proporción del disolvente respecto a la alimentación y la identidad del
disolvente
Identidad del disolvente y presencia de sal
Este análisis tiene su fundamento en las medias de las concentraciones del ácido acético
presente en los refinados y la presencia de interacciones se determina si las rectas
correspondientes a ambos factores se intersecan en un punto.
Con salSin sal
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
Baja (1/3)Alta (2/3)
ÉterHexano
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
Presencia de sal
Me
dia
Proporción
Disolvente
Gráfica de efectos principales para ConcentraciónMedias de datos
16
Figura 3. 4 Matriz completa de interacciones
(Elaboración propia, 2012)
Aunque se conocen los efectos e interacciones que afectan al sistema es necesario
determinar cuáles son realmente significativos de manera global, por ende, con ayuda de
un diagrama de Pareto se puede esclarecer cuáles efectos o interacciones son realmente
significativas. El diagrama correspondiente se presenta en la Figura 3.5.
Figura 3. 5 Diagrama de Pareto para efectos estándar
(Elaboración propia, 2012)
Con ayuda de los datos promedio para cada combinación de factores es posible generar
una gráfica de cubos que ilustre las condiciones experimentales contempladas que
mejoren el proceso de extracción o para este caso de estudio que generen la menor
concentración de ácido acético en los refinados. La gráfica de cubos se presenta en la
Figura 6.
0,4
0,3
0,2
ÉterHexano
Baja (1/3)A lta (2/3)
0,4
0,3
0,2
C on salS in sal
0,4
0,3
0,2
Presencia de sal
Proporción
Disolvente
Sin sal
Con sal
de sal
Presencia
Alta (2/3)
Baja (1/3)
Proporción
Hexano
Éter
Disolvente
Gráfica de interacción para ConcentraciónMedias de datos
AC
C
B
BC
AB
ABC
A
20151050
Té
rmin
o
Efecto estandarizado
2,31
A Presencia de sal
B Proporción
C Disolv ente
Factor Nombre
Diagrama de Pareto de efectos estandarizados(la respuesta es Concentración, Alfa = 0,05)
17
Figura 3. 6 Gráfica de cubos para la variable de respuesta promedio para diversas
combinaciones de factores
(Elaboración propia, 2012)
De la Figura 3.6 se puede apreciar que la menor concentración de ácido etanoico en los
refinados se logra utilizando éter de petróleo como disolvente, en proporción alta
respecto a la alimentación y con presencia de sales disueltas, por ende para
experimentos similares sería de esperar que con altas proporciones de disolvente con
respecto a la alimentación y con adición de sales en altas concentraciones el
rendimiento de la extracción mejore.
Éter
Hexano
Baja (1/3)
Alta (2/3)
Con salSin sal
Disolvente
Proporción
Presencia de sal
0,225
0,2000,400
0,400
0,225
0,2500,400
0,400
Gráfica de cubos (medias de los datos) para Concentración
18
4. CONCLUSIONES
1. El proceso de extracción de ácido acético disuelto en agua, según las
condiciones estudiadas se mejora al añadir cloruro de sodio a la disolución de
alimentación.
2. El proceso de extracción de ácido etanoico disuelto en agua, según las
condiciones estudiadas, se mejora al utilizar éter de petróleo como disolvente.
3. El proceso de extracción de ácido etanoico disuelto en agua, según las
condiciones estudiadas, se mejora al utilizar una proporción mayor de disolvente
con respecto a la alimentación.
4. La presencia de sales disueltas es el único factor que presenta un efecto
importante en el proceso.
5. A pesar de que existen interacciones entre los factores, para el nivel de
significancia elegido (α = 0,05) no existen interacciones significativas.
19
6. BIBLIOGRAFIA
Boddu, V., Krishnaiah, A., & Viswanath, D. (2001). Liquid−Liquid Equilibria of the
Benzene + Water + Acetic Acid Ternary System and Solubility of Benzene
in Water: Effect of Calcium Chloride. Journal of Chemical & Engineering
Data , 46 (5), 1772-1775.
Coulson, J., & Richardson, J. (2003). Ingeniería Química: Operaciones Básicas
Volumen II. Barcelona: Reverté.
McCabe, W., Smith, J., & Harriot, P. (2005). Operaciones unitarias en ingeniería
química. México D.F: McGraw-Hill Interamericana.
Miranda, M. (2011). Universidad de los Andes. Recuperado el 18 de Junio de 2012, de
Apuntes y Publicaciones del Profesor:
http://www.ula.ve/moira/extraccionliquido-liq
Treybal, R. (1988). Operaciones de transferencia de masa. México: McGraw-Hill.
20
6. APÉNDICES
Apéndice A. Resultados
Cuadro A. 1. Índices de refracción para distintas concentraciones de ácido acético en
agua destilada
Concentración de ácido acético
(mol /L) Índice de refracción Temperatura (ºC)
1 1,3375 25,1
0,8 1,3365 25,1
0,6 1,3355 25,1
0,4 1,3345 25,1
0,2 1,3335 25,1
0 1,3325 25,1
Cuadro A. 2. Índices de refracción para distintas concentraciones de ácido acético en
agua destilada con una concentración de 350 ppm de cloruro de sodio
Concentración de ácido acético
(mol /L) Índice de refracción Temperatura (ºC)
1 1,343 25,1
0,8 1,3425 25,1
0,6 1,342 25,1
0,4 1,341 25,1
0,2 1,3405 25,1
0 1,34 25,1
Cuadro A. 3. Índices de refracción medidos con ayuda de un refractómetro de Abbé
para el refinado
Orden
Estándar
Orden
Corrida
Bloq
ues
Disolv
ente
Propor
ción
Presencia
de sal η
14 1 1 Éter Alta
(2/3) Con sal
1,3
405
5 2 1 Éter Alta
(2/3) Sin sal
1,3
345
15 3 1 Éter Baja
(1/3) Sin sal
1,3
345
9 4 1 Hexan
o
Alta
(2/3) Sin sal
1,3
345
8 5 1 Éter Baja
(1/3) Con sal
1,3
407
6 6 1 Éter Alta
(2/3) Con sal
1,3
405
12 7 1 Hexan
o
Baja
(1/3) Con sal
1,3
405
2 8 1 Hexan
o
Alta
(2/3) Con sal
1,3
407
7 9 1 Éter Baja
(1/3) Sin sal
1,3
345
11 10 1 Hexan
o
Baja
(1/3) Sin sal
1,3
345
21
(Continuación) Cuadro A.3. Índices de refracción medidos con ayuda de un
refractómetro de Abbé para el refinado
Orden
Estándar
Orden
Corrida
Bloq
ues
Disolv
ente
Propor
ción
Presencia
de sal η
4 11 1
Hexan
o
Baja
(1/3) Con sal
1,3
405
10 12 1
Hexan
o
Alta
(2/3) Con sal
1,3
407
13 13 1 Éter
Alta
(2/3) Sin sal
1,3
345
3 14 1
Hexan
o
Baja
(1/3) Sin sal
1,3
345
1 15 1
Hexan
o
Alta
(2/3) Sin sal
1,3
345
16 16 1 Éter
Baja
(1/3) Con sal
1,3
405
Apéndice B. Resultados intermedios
Cuadro B. 1. Concentración de ácido acético en el refinado
Orden Corrida Concentración de soluto en refinado (mol/L)
1 0,25
2 0,4
3 0,4
4 0,4
5 0,2
6 0,25
7 0,25
8 0,2
9 0,4
10 0,4
11 0,2
12 0,25
13 0,4
14 0,4
15 0,4
16 0,2
Cuadro B. 2. Concentración de ácido acético en el extracto
Orden Corrida Concentración de soluto en extracto (mol/L)
1 0,15
2 0,05
3 0,2
4 0,05
5 0,5
6 0,15
7 0,5
22
(Continuación) Cuadro B.2. Concentración de ácido acético en el extracto
Orden Corrida Concentración de soluto en extracto (mol/L)
8 0,125
9 0,2
10 0,2
11 0,6
12 0,125
13 0,05
14 0,2
15 0,05
16 0,6
Cuadro B. 3. Coeficiente de distribución del ácido acético en el extracto y refinado para
cada corrida experimental
Orden Corrida Coeficiente de distribución
1 0,75
2 0,13
3 0,50
4 0,13
5 2,00
6 0,75
7 3,00
8 0,50
9 0,50
10 0,50
11 3,00
12 0,50
13 0,13
14 0,50
15 0,13
16 3,00
23
Apéndice C. Consola de Minitab® 16 para el análisis del diseño factorial
propuesto
Ajuste factorial: Concentración vs. Presencia de. Proporción. Disolvente Efectos y coeficientes estimados para Concentración (unidades codificadas)
Término Efecto Coef SE Coef T P
Constante 0,31250 0,004419 70,71 0,000
Presencia de sal -0,17500 -0,08750 0,004419 -19,80 0,000
Proporción 0,00000 0,00000 0,004419 0,00 1,000
Disolvente -0,01250 -0,00625 0,004419 -1,41 0,195
Presencia de sal*Proporción 0,00000 0,00000 0,004419 0,00 1,000
Presencia de sal*Disolvente -0,01250 -0,00625 0,004419 -1,41 0,195
Proporción*Disolvente 0,01250 0,00625 0,004419 1,41 0,195
Presencia de sal*Proporción* 0,01250 0,00625 0,004419 1,41 0,195
Disolvente
S = 0,0176777 PRESS = 0,01
R-cuad. = 98,04% R-cuad.(pred.) = 92,16% R-cuad.(ajustado) = 96,32%
Análisis de varianza para Concentración (unidades codificadas)
Fuente GL SC Sec. SC Ajust. CM Ajust.
Efectos principales 3 0,123125 0,123125 0,041042
Presencia de sal 1 0,122500 0,122500 0,122500
Proporción 1 0,000000 0,000000 0,000000
Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625
2-Interacciones de (No.) factores 3 0,001250 0,001250 0,000417
Presencia de sal*Proporción 1 0,000000 0,000000 0,000000
Presencia de sal*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625
Proporción*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625
3-Interacciones de (No.) factores 1 0,000625 0,000625 0,000625
Presencia de sal*Proporción*Disolvente 1 0,000625 0,000625 0,000625
Error residual 8 0,002500 0,002500 0,000312
Error puro 8 0,002500 0,002500 0,000312
Total 15 0,127500
Fuente F P
Efectos principales 131,33 0,000
Presencia de sal 392,00 0,000
Proporción * *
Disolvente 2,00 0,195
2-Interacciones de (No.) factores 1,33 0,330
Presencia de sal*Proporción * *
Presencia de sal*Disolvente 2,00 0,195
Proporción*Disolvente 2,00 0,195
3-Interacciones de (No.) factores 2,00 0,195
Presencia de sal*Proporción*Disolvente 2,00 0,195
Error residual
Error puro
Total
Observaciones inusuales de Concentración
Residuo
Obs OrdenEst. Concentración Ajuste EE de ajuste Residuo estándar
5 8 0,250000 0,225000 0,012500 0,025000 2,00R
7 12 0,250000 0,225000 0,012500 0,025000 2,00R
16 16 0,200000 0,225000 0,012500 -0,025000 -2,00R
R denota una observación con un residuo estandarizado grande.
24
Coeficientes estimados para Concentración utilizando datos en unidades no
codificadas
Término Coef
Constante 0,312500
Presencia de sal -0,0875000
Proporción 0,00000000
Disolvente -0,00625000
Presencia de sal*Proporción 0,00000000
Presencia de sal*Disolvente -0,00625000
Proporción*Disolvente 0,00625000
Presencia de sal*Proporción* 0,00625000
Disolvente
Medias de cuadrado mínimo para Concentración
Error
estándar de
Media la media
Presencia de sal
Sin sal 0,4000 0,006250
Con sal 0,2250 0,006250
Proporción
Alta (2/3) 0,3125 0,006250
Baja (1/3) 0,3125 0,006250
Disolvente
Hexano 0,3187 0,006250
Éter 0,3063 0,006250
Presencia de sal*Proporción
Sin sal Alta (2/3) 0,4000 0,008839
Con sal Alta (2/3) 0,2250 0,008839
Sin sal Baja (1/3) 0,4000 0,008839
Con sal Baja (1/3) 0,2250 0,008839
Presencia de sal*Disolvente
Sin sal Hexano 0,4000 0,008839
Con sal Hexano 0,2375 0,008839
Sin sal Éter 0,4000 0,008839
Con sal Éter 0,2125 0,008839
Proporción*Disolvente
Alta (2/3) Hexano 0,3250 0,008839
Baja (1/3) Hexano 0,3125 0,008839
Alta (2/3) Éter 0,3000 0,008839
Baja (1/3) Éter 0,3125 0,008839
Presencia de sal*Proporción*Disolvente
Sin sal Alta (2/3) Hexano 0,4000 0,012500
Con sal Alta (2/3) Hexano 0,2500 0,012500
Sin sal Baja (1/3) Hexano 0,4000 0,012500
Con sal Baja (1/3) Hexano 0,2250 0,012500
Sin sal Alta (2/3) Éter 0,4000 0,012500
Con sal Alta (2/3) Éter 0,2000 0,012500
Sin sal Baja (1/3) Éter 0,4000 0,012500
Con sal Baja (1/3) Éter 0,2250 0,012500
25
Apéndice D. Muestra de cálculos
D1. Estimación de la concentración de ácido acético en los refinados
Para determinar la concentración de ácido acético en los refinados del proceso de
extracción, se interpoló el valor del índice de refracción medido para cada muestra en la
recta de mejor ajuste correspondiente.
Por ejemplo, para la corrida 1 (Cuadro A.3), la cual se llevó a cabo con sal disuelta, la
recta de mejor ajuste (Ecuación 3.2), generada por medio de regresión lineal, con los
datos del Cuadro A.2:
El procedimiento se repite para los valores de índice de refracción del Cuadro A.3 que
correspondan a las corridas sin sal disuelta; con los datos del Cuadro A.1 se genera la
Ecuación 3.1, que es la recta de mejor ajuste correspondiente. Los resultados se tabulan
en el Cuadro B.1.
D2. Estimación de la concentración de soluto en el extracto
Para determinar la concentración de ácido acético en el extracto, se calcula el remanente
de soluto que permanece en la fase acuosa (la concentración inicial es de 0,5 mol/L), ese
remanente se multiplica por el volumen de la alimentación para obtener los moles y se
divide por el volumen del disolvente correspondiente, si la proporción era a 2/3 el
volumen del extracto será de 80 mL, en el caso de proporción a 1/3, el volumen es de
40 mL.
Donde,
CA0 es la concentración inicial de soluto, mol/L
CA es la concentración remanente de soluto, mol/L
VE es el volumen del extracto, mL
26
Por ejemplo, para el primer dato del Cuadro B1, con base en la proporción indicada en
el Cuadro A.3:
El procedimiento se repite para todos los datos del Cuadro B.1, con base en la corrida
correspondiente al Cuadro A.3; los resultados se tabulan en la segunda columna del
Cuadro B.2.
D3. Cálculo del coeficiente de distribución
El coeficiente de distribución se calcula como la razón de la concentración de soluto en
el extracto y la concentración del mismo soluto en el refinado cuando se ha alcanzado la
condición de equilibrio.
Por ejemplo, para los primeros los datos de los Cuadros B.1 y B.2:
El procedimiento se repite para todos los datos de la segunda columna de los Cuadros
B.1 y B.2; los resultados son tabulados en la segunda columna del Cuadro B.3.
27
Apéndice E. Nomenclatura
C Concentración, mol/L
K Coeficiente de distribución, adm.
V Volumen, ml
b Selectividad, adm.
η Índice de refracción, adm.
Subíndices
A Referido al Soluto
A0 Referido al soluto inicial
E Referido al extracto
HOAc Referido al ácido acético
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